据估计，人体包含着200多种细胞，这些细胞都来自于同一个受精卵——细长的皮肤细胞、结实的分支神经元细胞、丰盈的脂肪细胞以及精致而敏感的视杆细胞和视锥细胞，所有的这些都是一个漫长发展过程的产物，在这一期间，它们的物理形态发生了天翻地覆的变化。
然而，除了少数例外，其它绝大多数细胞所携带的都是一套与受精卵完全相同的基因组，而这些细胞间表现出来的差异则是取决于哪些基因处于活跃状态。
那么，带有相同基因组的细胞是如何获得不同身份的呢？在分子水平上究竟发生了什么事件，导致干细胞能分化并维持皮肤细胞的形态，而不是变成脂肪或肌肉细胞？
长期以来，研究人员都在努力探寻这一问题的答案，不论是芥菜、蜈蚣还是蓝鲸，这些问题与所有复杂生物的发育都息息相关。与天然系统相比，早期对遗传模型的尝试总是缺少了一个特征——天然系统极强的可扩充性。
近日，加州理工学院的一个团队（该团队由一群具有物理学背景的生物学家组成）在《科学》杂质发表了研究论文，他们声称设计了一个简单的基因线路网络，该网络能产生复杂而逼真的行为，这可能会加深我们对自然界中细胞分化过程的理解。
通过将几个工程基因引入细胞，再添加相应的物质进行诱导，研究人员得以将细胞引导到7种不同的稳定状态，而每种状态之间则能够通过显微镜下不同的发光颜色进行区分。
这些细胞表现出了与分化细胞类似的关键特性，例如，尽管它们都稳定地表现为某一种细胞，但它们也存在着对之前经历的“记忆”，这在一定程度上会影响它们对新环境的反应。
此外，数学模型表明，如果在该网络中再添加几个基因，最终可能会出现数百种细胞身份，这已经超过了构筑复杂生物体组织所需的细胞类型。可以说，这一发现为可以帮助我们更好的理解亿万年前我们自身系统的构建原理。
相互抑制系统的局限性
在多年的研究中，发育生物学家们已经阐明了许多的分化节点和化学信号，通过在合适的时间节点添加合适的诱导物，它们能够使细胞沿着某条确定的发育途径进行分化。
然而，合成生物学家们采取的则是另一种研究策略，加州理工学院的生物学和生物工程教授Michael Elowitz（上述论文的作者）解释道：“这个从头构建的细胞命运控制系统可能会告诉我们天然分化系统需要什么”。
20多年前，由James Collins领导的波士顿大学团队已经朝这一方向迈出了重要的一步。在一篇发表于《自然》杂志的论文中，他们描述了他们在大肠杆菌中插入的人工细胞控制线路。该线路可以在两种状态之间来回切换。在抑制荧光色素产生的基因被关闭时，工程细胞会发出绿光。
而当科学家在培养液中添加一种化学物质时，阻遏基因会被激活，绿光就会消失。除此之外，还有另一种化学物质能够促使第二个抑制器发挥作用来逆转这一过程，使绿光再次恢复。
这两种状态是稳定的，在添加化学物质诱导之前，细胞会保持发光或不发光的状态。这种稳定性令很多科学家想到了自然界中细胞的行为，这些细胞的命运由发育过程中发出的化学信号指令永久性的决定。控制系统的关键往往是两个抑制器的互相抑制，当其中一个出于激活状态时，另一个往往出于休眠状态。
图 | James Collins的双稳态开关据
自Collins设计双稳态开关以来，这种双抑制器的结构一直都是生物学家们所设计的细胞控制系统的核心。一个很典型的例子是在2017年由亚利桑那州立大学生物医学工程副教授Xiao Wang团队设计的系统，通过使用两种相互抑制的转录因子以及两个用来激活自身的基因，他们创建了一个能让大肠杆菌处于四种不同稳定状态的系统。
然而，相互抑制模式的结构可能变得非常复杂。虽然可以通过引入更多基因来产生更多的稳定状态，但是每个基因都必须抑制其它所有基因。因此，对合成生物学家来说，这种方法显得非常麻烦，另外，大自然也显然不会依靠这样一个脆弱的系统来指导细胞的发育分化。
灵活性、适应性、鲁棒性
当Elowitz与实验室的研究生Ronghui Zhu讨论这个问题时，他们想知道是否有更简单的方法来扩大多稳态系统的规模。“天然系统的一个基本属性是可扩展性，我认为这点非常重要”Elowitz说道：“要实现这一点，你的系统不应该在每次添加新东西时都需要再重新设计现有的部分”。
有了这些想法之后，他们试图从自然界中寻找解决方案。转录因子蛋白常常以成对或二聚体形式存在，它们有时会与自身副本结合，有时则会跟完全不同的因子结合，不同的结合因子会让转录因子的功能截然不同，有时候它们会激活所调控的基因，有时候则会关闭。因此，这些配对方式的排列组合最终形成了调控细胞所处状态的作用网络。
基于此，Elowitz和Zhu构建了描述一个系统的数学模型，在该系统中，相互抑制和促进的转录因子对可以控制细胞的状态。在他们的新系统中，每个基因可以产生一个转录因子蛋白，这些蛋白以二聚体的形式结合在一起，最终产生不同的效应。
具体来说，如果同一个因子的两个副本结合，产生的“同源二聚体”会刺激该基因进一步产生蛋白质，形成正反馈线路，反过来，如果一个因子和另一个因子结合形成“异源二聚体”，那么该转录因子就是没有活性的。
这种设计的巧妙之处在于，转录因子基因的状态（激活或失活）在被设定之后，常常会维持下去。这样，通过微调不同二聚体组合的量，就可以产生研究人员所需的基因活性模式。同时，影响转录因子稳定性的显著环境变化可以将细胞从一种状态切换到另一种状态，而随机的微小变化却一般不会产生影响，这也大大提高了控制系统的灵活性、适应性和鲁棒性。
很久之后，Elowitz和Zhu等人决定尝试在哺乳动物细胞中构建这一系统，这与他们此前在大肠杆菌中构建的系统非常不同。通过利用同事组装的转录因子组分工具箱，他们设计了两个以同源二聚体形式存在时有活性而在以异源二聚体形式存在时无活性的转录因子组分。
模型显示，围绕这些转录因子构建的控制系统可以将细胞切换到三种不同的状态：1.只有第一个基因被激活 2.只有第二个基因被激活 3.两个基因都被激活。细胞最后具体以哪种形式存在取决于转录因子蛋白的稳定性以及它们相互结合的可能性。Zhu表示：“这种设计既允许组合型控制，又让其中一种状态能够有效抑制其它的状态”。
当然，模型预测是一回事，在细胞中能够真正运行起来又是另一回事。用Elowitz的话来说：“如果你对生物学进行大量的数学建模，你会发现很多情况下这些模型得出的结果只是非常粗略的近似，用模型来预测确定的结果是很有挑战性的”当Zhu将初始测试基因引入到仓鼠细胞中时，实验结果非常令人惊讶，这些细胞竟然乖乖地变成了绿色、红色和黄色组成的马赛克结构，这表明，这一套被他们命名为MultiFate的系统似乎在哺乳动物中是有效的。
为了测试该系统是否像模型所预测的那样具有可扩展性，他们又添加了第三个转录因子，这使得预期的状态数量变为了七个。结果细胞们立马就呈现出七种颜色组成的万花筒图案。如果不受干扰，这些图案会持续一个多月，这也与天然系统呈现的稳定性相一致。
在这之后，研究人员又观察了细胞对条件变化做出的反应。通过改变细胞环境中化学物质（能够破坏转录因子蛋白的稳定性）的浓度，细胞的状态果然从一种切换到了另一种。另外，有趣的一点是，工程细胞的反应与它们的历史状态有关，当化学试剂的浓度从高到低时，它们会切换状态，但是当浓度再次升高时，它们的状态并没有恢复。
这种不对称的状态切换行为与自然界中一些细胞的状态变化有着相似性，例如，经历过能量供应匮乏时期的细胞，可能会长期处于囤积能量的状态，重置环境并不能重置这些细胞的行为。
切换细胞状态景观
“这很巧妙”波士顿大学教授Ahmad Khalil评价道（他是Elowitz和Zhu论文的评论的合著者）“该系统展示了如何仅仅通过增加或减少蛋白质的稳定性来改变或重塑细胞状态”。
这是一项意义深远的研究，因为无论什么过程导致了如今各种多细胞生物的复杂性，这些过程本身都应该是非常简单的，它很可能依赖于一些基本的或可变的东西，比方说蛋白质的稳定性。Elowitz和Zhu构建的系统表明，这样的设计原则已经足以达到我们如今在自然界所观察到的多样性。
Wang此前开发过具有四种稳定状态的大肠杆菌系统，他认为研究人员建模的过程借鉴了非线性动力学，这是数学的一个分支，常用来处理那些具有复杂、多样化结果的系统。Wang表示：“整个基因调控网络是一个非线性网络”，一般来说，非线性会导致混乱，然而在生物系统中却往往不会，“所以说里面一定还有些别的东西，可能是一些更深层的原理和构建规则，让系统变得如此复杂而强大”。
“从理论上讲，如果你有一个由八个转录因子组成的主网络，你就拥有了生成人体所有细胞类型的基础”，Wang补充到，事实上，Elowitz和Zhu在他们的论文中写到，仅使用11个转录因子，就可能产生超过1000种不同的稳态。
“如果仅仅流于纸面，那该系统的可扩展性确实很强”，Wang说道：“但当你扩大规模时，必须非常谨慎，因为在生物学中，我们还有很多未知的东西，我们可能会看到一些意想不到的结果”。
Khalil推测，未来研究人员可能希望使用MultiFate系统来对细胞生长和形态变化进行实际的控制，而非简简单单改变它们的颜色。或许引入患者体内的细胞可以被设计成能够通过响应环境而沿着理想的途径进行发育。例如，如果这些细胞感应到癌症环境，它们可能会向着有利于诊断或治疗的方向进行发展。“这是一个非常酷的概念”。
对于Elowitz来说，该系统是理解生物学诸多怪异之处的大门，它不仅仅是鲁布·戈德堡机械。以最大的步骤完成简单的任务（只完成指定任务，而不参与其它过程），是“不可移易的设计的完美体现”，Elowitz说道。
译者注：鲁布·戈德堡机械是一种故意过度设计而且设计精密而复杂的机械，它们以复杂的方式执行简单的任务，美国漫画家鲁布·戈德堡首次在漫画中创作出这种机械，因而得名鲁布·戈德堡机械。
“天然系统表面上可能看起来像这样，但我们其实不完全了解正在发生和进行的过程”Elowitz说道：“一旦我们理解了看待它的正确方式，我们就有希望将其视为一个简单的设计”。
参考文献：
https://www.quantamagazine.org/simple-gene-circuits-hint-at-how-stem-cells-differentiate-20220519/
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作者/捉蝴蝶的猫
编辑/莫十二